基于索力和曲率模態(tài)的大跨斜拉橋損傷識別研究.pdf

1、大跨橋梁是重要的基礎(chǔ)交通設(shè)施和生命線工程,隨著已建橋梁年代越來越久、新建橋梁跨徑越來越大,橋梁的安全問題更加突出,橋梁垮塌事故在世界各地時(shí)有發(fā)生。為了盡可能地避免非極端荷載下的橋梁垮塌事故,可采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。健康監(jiān)測技術(shù)的核心是損傷識別,在斜拉橋損傷識別研究中,拉索索力和曲率振型都是損傷敏感量。但是,包含索力相互影響數(shù)量關(guān)系的影響矩陣尚未應(yīng)用于損傷識別;關(guān)于曲率模態(tài)對整體剛度退化以及稀疏測點(diǎn)下識別能力的研究甚少。本研究主要內(nèi)容包括

2、：
　?、盘岢鏊髁τ绊懢仃嚱Y(jié)合全橋索力變化的拉索損傷識別方法。引入前人基于缺陷長度的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)靜力分析方法,得到拉索退化狀態(tài)的等效缺陷長度改變量;將缺陷長度—索力影響矩陣轉(zhuǎn)化為易于測量的索力影響矩陣,通過該矩陣和全橋索力變化求得拉索的等效索力施調(diào)量,證明了索力等效施調(diào)量是否為零與拉索是否損傷的一致性,提出以索力等效施調(diào)量與初始索力之比作為拉索損傷指標(biāo)用于估計(jì)拉索損傷程度。無預(yù)應(yīng)力部分剛度越大,該拉索損傷指標(biāo)的準(zhǔn)確性越高。該方法經(jīng)過

3、濱州黃河大橋縮尺模型的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對于多拉索損傷工況識別效果良好。
　?、铺岢霾捎媒^對曲率差,即損傷前后曲率振型絕對值之差作為損傷指標(biāo),引入模態(tài)慣性力的概念討論了曲率模態(tài)不能識別整體剛度退化的問題。提出了新的曲率振型規(guī)格化方法及端點(diǎn)曲率估計(jì)方法,并引入曲率模態(tài)乘子矩陣以方便位移振型向曲率振型的轉(zhuǎn)化。以一根兩端分別為固支和鉸支邊界的梁為例,研究了各位置損傷所引起的曲率振型變化形式,并通過抗敏性指標(biāo)和顯著性指標(biāo)研究了曲率變化在

4、不同階數(shù)、不同測點(diǎn)密度下對損傷的指示能力,指出曲率零點(diǎn)附近的識別失效原因在于曲率變化不明顯。通過算例說明曲率變化可以指示連續(xù)損傷中相對嚴(yán)重的損傷位置,這對于結(jié)構(gòu)及時(shí)維護(hù)具有實(shí)際意義。
　?、翘岢隽瞬捎胟-means聚類算法對動(dòng)力相似自由度進(jìn)行自動(dòng)集結(jié)的傳感器選點(diǎn)方法和模型降階方法?？紤]動(dòng)力荷載空間分布,給出了根據(jù)模態(tài)參與系數(shù)選取原模型重要模態(tài)的方法,根據(jù)重要模態(tài)中各自由度振型值的相似性應(yīng)用聚類算法對自由度進(jìn)行自動(dòng)分類集結(jié)。各集結(jié)自

5、由度幾何中心處的代表點(diǎn)可以作為傳感器布置位置;從柔度矩陣元素的定義入手推導(dǎo)了結(jié)構(gòu)矩陣顯式條件下柔度法降階的統(tǒng)一表達(dá)式,并證明了降階矩陣的正定性、對稱性及正交關(guān)系。通過一斜拉橋單跨主梁的簡化模型算例說明了傳感器選點(diǎn)和柔度法降階的可行性。
　?、仍跒I州黃河大橋縮尺模型的有限元模型和實(shí)驗(yàn)室模型中,分別以主梁單元?jiǎng)偠日蹨p和拆除主梁連接件的方式進(jìn)行了主梁損傷識別研究。損傷工況特征振型分析表明,低階曲率振型識別損傷位置的可靠性更高,而高階曲率

6、振型對損傷的高敏感度往往伴隨誤判;多損傷時(shí)曲率振型較大位置的損傷指標(biāo)可能掩蓋曲率振型較小位置的損傷指標(biāo);一階對稱模態(tài)比反對稱模態(tài)對于中塔附近位置的損傷指示性更好。進(jìn)行了損傷識別的有限元仿真,采用從風(fēng)振響應(yīng)中以復(fù)Morlet小波識別的振型研究了信噪比、損傷位置、損傷程度對識別效果的影響。在有限元研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了損傷識別實(shí)驗(yàn),模型損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果的若干特征基本吻合,實(shí)驗(yàn)中低階曲率振型對單損傷和雙損傷工況識別效果較好;實(shí)驗(yàn)結(jié)果